（电子科学与技术专业论文）数字图像处理系统下位机设计.pdf

英文摘要 a b s t r a c t f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ( f p g a ) h a sd e v e l o p p e dr a p i d l yi nr e c e n ty e a r s ，i t h a sh i g hd e v e l o p m e n te f f i c i e n c y , l o w c o s t ，s i m p l et e c h n i c a lm a i n t e n a n c e , g o o d r e l i a b i l i t y a n do t h e ra d v a n t a g e s ，e s p e c i a l l yw i t ht h er a p i d d e v e l o p m e n to ft h e t e c h n o l o g y t h a tb a s e do ni pc o r e ，e m b e d d e d m i c r o p r o c e s s o r s ，h i g h - s p e e d d s p a l g o r i t h m si nt h ef o r mo ft h ei pc o r ee m b e d d e di n t ot h ef p g a s ot h a ti tc a nb em o r e w i d e l ya p p l i e di nt h ef i e l do fi n f o r m a t i o na n dc o m m u n i c a t i o n ，a u t o m a t i cc o n t r o l ，d i g i t a l i m a g ep r o c e s s i n g t h et h e s i sc o m e sf i = o m t h ea c t u a lp r o j e c to f ”d i g i t a li m a g e p r o c e s s i n gs y s t e m ”，t h et h e s i sd e v e l o p sad i g i t a li m a g ep r o c e s s i n gs y s t e mb a s e do n f p g a ，w h i c hc a na c h i e v et h ec a p t u r ea n dt r a c ko fu n d e r w a t e rm o v i n gt a r g e t s t h e s y s t e mi sd i v i d e di n t ot w op a r t s ：t h em a s t e rp a r ta n dt h es l a v ep a r t ，t h em a s t e rp a r t c o m p l e t e st h ec o n t r o lo ft h es l a v ep a r ta n dt h ea c q u i s i t i o na n ds t o r a g eo fi m a g e ，t h e s l a v ep a r t c o m p l e t e st h ea c q u i s i t i o no fi m a g e ，a n dt h ei m p l e m e n t a t i o no fi m a g e p r o c e s s i n ga l g o r i t h m sa n dt h eu p l o a do fi m a g e t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h es l a v ep a r ti n t h es y s t e m ，i td e s c r i b e st h e o v e r a l ls y s t e mf u n c t i o n sa n dd e s i g n , t h eh a r d w a r ea n d s o f t w a r ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h es l a v ep a r t t h es l a v ep a r ti sd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h ec o r ed e v i c e - f p g a f o rh a r d w a r e d e s i g n , i tn s e sl v d sh i g h s p e e dd a t at r a n s f e ri n t e r f a c e , s u p p o r t6 4 - b i ti m a g ew i d t h ；i t 髑r s - 4 2 2i n t e r f a c et oc o m m u n i c a t e 晰吐lt h em a s t e rp a r t ；i t 璐髂d d r 2m e m o r y m o d u l e 勰t h ec a c h eo fi m a g ep r o c e s s i n ga l g o r i t h m s ；i tu s e sl a r g e c a p a c i t yd a t am e m o r y c h i p sx c f l 2 8 xa s t h ec o n f i g u r a t i o nd e v i c et os t o r et h ef p g ap r o g r a mf l o w f o r s o r v c a r ed e s i g n , t h ei m p l e m e n t a t i o no fi m a g e p r o c e s s i n ga l g o r i t h m si st h ek e y , i tu s e s t h ex i l i n xe d kt oa c h i e v et h ea c q u i s i t i o na n dt r a c k i n ga l g o r i t h m , i ti n c l u d e st h e m i e r o b l a z es o f tp r o c e s s o r , i n t e r r u p tc o n t r o l l e r , s e r i a lc o m m u n i c a t i o n , m u l t i - p o r t m e m o r yc o n t r o l l e ra n do t h e ri p i na d d i t i o n , i no r d e rt om a k et h em a s t e rp a r tt oc a p t u r e a n dd i s p l a yt h ei m a g es u c c e s s f u l l y , i tu s e sf i f ot og e n e r a t et h ep r o c e s s e di m a g ed a t a 丽t l lt h ep i x e ls y n e ，l i n ea n df r a m es y n cs i g n a l st ot r a n s m i tt ot h em a s t e rp a r t a f t e rt h ed e s i g ni sc o m p l e t e d , t h ew h o l ed i g i t a li m a g e p r o c e s s i n gs y s t e mi st e s t e d , t h er e s u l ts h o w st h a ta l lt h ef u n c t i o n sa r er e a l i z e d ，t h ei m a g ep r o c e s s i n ga l g o r i t h m si n n p r o p e r l y , t h em a s t e rp a r ti sa b l et os h o wt h ec a p t u r ea n d 乜a c kr e s u l t sa c c u r a t e l y k e yw o r d s ：f p g a ；i m a g ep r o c e s s i n g ；e m b e d d e d ；m i e r o b l a z e 数字图像处理系统下位机设计 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 视觉是人类最高级的感知器官，所以图像在人类感知中扮演着最重要的角色。 数字图像，是用有限数值表示像素，可以用数字计算机或数字电路存储和处理的 图像。数字图像处理最早的应用之一是在报纸业，起源于2 0 世纪2 0 年代，当时， 图像第一次通过海底电缆从伦敦传到纽约【l 】。此后，随着数字计算机及数据存储、 显示和传输等技术的发展，数字图像处理也得到较大发展。2 0 世纪6 0 年代末到 2 0 世纪7 0 年代初，伴随着在医学、地球遥感监测和天文学等领域的应用，数字图 像处理技术蓬勃发展。目前，数字图像处理技术已成为工程学、统计学、物理学、 生物学、信息科学甚至社会科学等各个学科研究的对象，其在工业、海洋科学、 国防、医学等领域有着广泛的应用前景。 随着工业化进程的不断推进，地球上人口数量急剧增加，能源短缺问题越来 越突出，陆上资源有限，而海洋中却蕴含着丰富的生物资源、矿产资源和能源， 于是，人们把目光投向了资源丰富的海洋。占地球表面积接近一半的海洋是全人 类共同的资源，不属于任何国家，在海洋经济时代，拥有海洋开发技术实力的国 家就可以享受这部分海洋资源。所以，进入2 l 世纪，海洋己成为高技术研究的重 要领域。水下图像处理一直是我国重点研究的课题，它在水下探测、水下目标跟 踪、海洋开发、海洋军事等领域有着广泛而重要的应用价值。 本课题是设计一个水下数字图像处理系统，以实现对水下移动目标的捕获和 跟踪。近年来，随着超大规模集成电路工艺的不断提高，单一芯片内部已经可以 容纳上百万个晶体管，f p g a 芯片所能实现的功能越来越强，同时也可实现系统集 成【2 】。与以往的p a l 、g a l 等相比，f p g a 的规模较大，它可替代几十甚至几千 块通用的集成电路芯片，因此f p g a 芯片是小批量系统提高集成度与可靠性的最 佳选择之一【3 】。所以在用户不断要求产品具有更大的图像容量、更高的图像质量和 更快的图像处理速度的时候，f p g a 成为了普遍的选择。以f p g a 为核心的数字图 像处理系统的下位机正是本论文研究的重点。该下位机通过一定的接口与数字图 第l 章绪论 像处理系统的上位机进行数据信号、控制信号通信，实现水下移动目标的跟踪。 该设计可以促进我国水下探测、水下跟踪等技术的发展，也为水下的科研工作提 供了保障。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 数字图像处理系统的研究现状 数字图像处理系统的发展大致分成三个阶段【4 】： 第一阶段是2 0 世纪6 0 年代末到8 0 年代中期，主要是美国和英国的一些公司 推出的各种图像分析系统和图像计算机。这些系统体积大、价格昂贵。在中国， 数字图像处理系统的研究比较晚，主要以清华大学的图像计算机和图像采集系统 为代表。 第二阶段是2 0 世纪8 0 年代中期到9 0 年代初期，该阶段数字图像处理系统的 特点是小型化，以图像卡的形式插到计算机内，构成图像采集系统。这阶段的图 像卡开始采用大规模集成电路或专用集成电路。 第三阶段是2 0 世纪9 0 年代初期至今，该阶段的数字图像处理系统分为两大 类，一种仍是插卡式，采用p c i 总线的图像卡；另一种是采用大规模集成电路或 者专用芯片取代计算机的图像处理系统，随着f p g a 、d s p 、a s i c 的发展，这一 类系统发展很快，运算速度大幅度提高、价格大幅度降低，逐渐成为数字图像处 理系统的主流。 1 2 2f p g a 的研究现状 数字集成电路在不断地进行更新换代，从早期的电子管、晶体管、中小规模 集成电路到超大规模集成电路以及具有特定功能的专用集成电路( a s i c ) 。现场可 编程门阵列( f p g a ) 以其开发周期短、开发费用低、使用灵活等优点随着电子技术 的发展应运而生。 f p g a 是在p a l 、g a l 等可编程逻辑器件基础上发展起来的超大规模逻辑器 件，并作为专用集成电路领域的一种半定制电路。f p g a 由逻辑功能块排成阵列， 由可编程的连线资源连接这些逻辑功能块来实现不同的设计。设计者将f p g a 内 数字图像处理系统下位机设计 部最基本的硬件逻辑电路烧写成所需要的硬件连接结构，从而做出所需的芯片。 自2 0 世纪9 0 年代后，f p g a 进入飞速发展时期，基于f p g a 的设计和应用越 来越广泛。器件的逻辑门数超过了百万门，并内嵌了各种复杂功能模块( 如c p u 核、d s p 核、加法器、乘法器等) 。特别是嵌入式处理器软核的成熟，使得s o p c 步入大规模应用阶段，使在一片f p g a 上实现一个完备的数字处理系统成为可能 f 5 】 o 目前，生产f p g a 芯片的厂家主要有a l t e m 公司、a c t e l 公司和x i l i n x 公司等， 这些公司的f p g a 芯片各有千秋。x i l i n x 公司自1 9 8 5 年首次推出f p g a 后，不断 推出集成度更高、速度更快、功耗更低、价格更低的f p g a 器件。2 0 0 6 年5 月份 推出的v i r t e x 5 系列f p g a 芯片在性能和密度等方面都取得了前所未有的进步，与 前一代9 0 n mf p g a 相比，容量增加了6 5 ，速度平均提高了3 0 ，动态功耗降低 了3 5 ，使用面积减少了4 5 。该系列f p g a 芯片采用第二代高级硅片组合模块 架构，包含四种不同的平台，比以前任何一个f p g a 系列提供的选择范围都大。 每种平台包含不同的功能配比，以满足不同设计的需求【6 】。 1 3 论文研究目的与内容 本课题来源于数字图像处理系统实际研发项目，以实现基于图像序列的 目标捕获和跟踪为目的，对数字图像处理系统进行设计。其中，数字图像处理系 统上位机部分的设计由其他同学完成，本论文完成数字图像处理系统下位机部分 的设计，具体内容包括以下几个方面： 1 ) 数字图像处理系统的总体方案设计，包括系统功能、工作原理、下位机方案 设计等。 2 ) 数字图像处理系统下位机的硬件设计，包括硬件结构、数据传输接1 2 1 和通信 接口的设计、芯片的选型等。 3 ) 数字图像处理系统下位机的软件设计，包括系统功能模块分析、各模块的实 现等。 第1 章绪论 1 4 论文的结构 本论文共分六章来介绍数字图像处理系统下位机的设计。 第1 章是绪论，主要包括课题研究的背景及意义和国内外研究现状，最后介 绍了论文的研究目的与内容。 第2 章介绍了系统的总体设计方案，重点对基于f p g a 的下位机部分进行阐 述。 第3 章介绍了系统下位机硬件的实现，主要围绕f p g a 及其外设进行介绍。 第4 章对系统下位机软件的实现进行介绍，详细介绍了下位机软件各个功能 模块的设计与实现。 第5 章对实验测试进行了说明。 第6 章对整个系统进行了总结。 数字图像处理系统下位机设计 2 1 系统功能 第2 章系统总体方案设计和开发平台 该数字图像处理系统是一个基于f p g a 的用于水下移动目标捕获和跟踪的图 像处理系统。其前端是拍摄到的包含背景噪声的目标物的图像序列，数字图像处 理系统对图像序列进行算法处理，显示并存储算法处理结果。 2 2 系统工作原理 系统总体示意图如图2 1 所示。数字图像处理系统可分为两个部分：上位机( p c 机) ，负责数字图像处理系统运行控制、参数设置、结果显示等功能。下位机( 基 于f p g a ) ，对图像数据进行算法处理，实现目标跟踪的功能。 厂一一一一一一葶 _ _ 一 图2 1 数字图像处理系统总体示意图 f i g 2 1o v e r a l ld i a g r a mo fd i g i t a li m a g ep r o c e s s i n gs y s t e m 系统总体框图如图2 2 所示。按照数据流方向，首先是下位机以l v d s 接口接 收数字图像处理系统前端的图像数据：经过图像处理算法的运算处理后，获得中 间图像和目标跟踪的结果，并分别以l v d s 接口和r s 4 2 2 接口的形式输出至上位 机；上位机通过l v d s 接口接收运算的中间图像，利用图像采集卡采集信号并存 入上位机内存，然后利用a p i 接口函数读出数据、处理数据后存储并显示。上位 糊 第2 章系统总体方案设计和开发平台 机和下位机之间用于通信的接口是l v d s 和r s 4 2 2 ，分别用来传输数据和参数。 1 传输命令和状态 卜 r s 4 2 2 接口) | r s 4 2 2 接口 n p 主 机 卜 传输图像数据 卜。 )l ) s 接收 l v d s 发送 图像采集卡 y pl v d s 接口 下位机 i 一一一，一一一一一一一， 上位机 j 1 田l 一： l 一一： 图2 2 数字图像处理系统总体框图 f i g 2 2o v e r a l lb l o c kd i a g r a mo fd i g i t a li m a g ep r o c e s s i n gs y s t e m 2 3 下位机方案设计 2 3 1 下位机开发平台的选择 目前，图像处理系统的开发平台类型众多，主要有a r m 、d s p 、f p g a 等。 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 具有高性能、低成本、小体积和低耗能的特点， 适用于诸如嵌入控制、移动式应用等多种领域。 相对来说，d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 的通用功能较弱，主要是数字信号处 理，其具有强大的数据处理能力和高实时运行速度的特点，支持流水线操作，适 用于语言处理、自动控制等多种领域。 f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 是现场可编程门阵列，其电路结构由若 干独立的可编程逻辑模块构成，通过v h d l 或v e r i l o gh d l 等硬件编程语言将这 些模块连接成所需要设计的数字系统，易于实现时序逻辑控制。f p g a 密度高、速 度快、可靠性高、功耗低、结构灵活，具有用户可定义逻辑功能的特点。另外近 年来，随着拥有乘法器和内存块资源的f p g a 的出现以及基于i p 核的开发技术的 迅速发展，嵌入式微处理器、高速d s p 算法以i p 核的形式嵌入到f p g a 中，可以 以硬件编程的方式实现高速信号处理算法，f p g a 在嵌入式应用领域拥有明显的优 数字图像处理系统下位机设计 势。 系统开发平台的选择和系统功能密切相关。本课题下位机主要完成的功能有 图像数据的采集、目标捕获和跟踪算法的实现以及与上位机进行通信等。总的来 说，下位机系统实现的功能主要是设计时序逻辑和实现数字图像处理算法，f p g a 在这方面具有较大的优势，所以下位机的开发平台选择f p g a 。 目前f p g a 系统开发的软件有以下几种：x i l i n x 推出的i s e 、a l t e r a 推出的 m a x p l u s l i ，以及a c t e l 、c y p r e s s 等公司提供的开发软件。x i l i n x 公司的嵌入式开 发套件( e d k ) 是用于设计嵌入式可编程系统的全面的解决方案，在实际应用中，可 以将e d k 设计作为i s e 设计的子系统，和其他i s e 的子模块一样，可在任何需要 的地方例化。综上所述，本设计采用x i l i n x 公司的i s e1 2 3 来开发下位机系统， 包括逻辑模块代码编写、e d k 设计、程序编译、管脚分配、综合、下载等等。 2 3 2 图像处理算法的实现方案 数字图像处理系统的核心就是对数字图像进行运算处理，本系统图像处理算 法是采用c 语言编写的，不能直接在f p g a 上运行。而基于f p g a 的可配置嵌入 式系统开发技术融入了微处理器技术、数字信号处理技术、软硬件协同设计技术， 借助于f p g a 的可编程嵌入式开发技术，可以使c 语言算法在f p g a 平台上正常 运行。前面已经介绍，x i l i n x 公司提供了完备的开发工具e d k ，该套件包括了x i l i n x 平台工作室( x i l i n xp l a t f o r ms t u d i o ，x p s ) 和软件开发套件( s o f t w a r ed e v e l o p m e n tk i t ， s d 目以及丰富的i p 库，如x i l i n x 软处理器核m i c r o b l a z e 。m i c r o b l a z e 采用功能强 大的3 2 位流水线r i s c 结构，包含3 2 个3 2 位通用寄存器和1 个可选的3 2 位移位 寄存器，时钟频率可达1 5 0 m h z ，占用资源不到1 0 0 0 个s l i c e 。本系统的图像处理 算法实现的平台就采用x i l i n x 软处理器核m i c r o b l a z e 。 2 3 3 数据传输接口的选择 由于本系统数据量庞大，需要把大量的数据传输给数字图像处理系统下位机 来处理。目前的数据传输方式主要有u s b 、l v d s 等。 通用串行总线( u n i v e r s a ls e f i a lb u s ，u s b ) 具有支持热拔插、接口体积小等优点， 第2 章系统总体方案设计和开发平台 但其传输速度受到限制，u s b 2 0 高速的数据传输率为4 8 0 m b i t s ，虽然u s b 3 0 可 达到5 g b p s ，但目前还没有达到实用阶段。 l v d s 是低电压差分信号技术，其传输速率可以达到几百m b p s ，其低电流驱 动输出方式和低压幅特点实现了低噪声和低功耗的传输性能【7 j 。l v d s 具有下列优 点：终端适配简单，通常并接一个合适的电阻即可；功耗低；具备自动防 故障功能，可靠性强；成本低；高速传送、性价比高。上述特性使得l v d s 在通信设备、计算机等方面高速传输系统中的应用非常广泛【8 j 。 综合考虑，在本系统中，u s b 接口速度达不到要求，l v d s 接口实现方便， 同时为保证与前端输入接口的匹配，所以该系统的数据传输采用l v d s 传输技术。 2 3 4 通信接口的选择 为了完成上位机和下位机通信的功能，该系统配备了r s 4 2 2 接口。r s 4 2 2 是全双工的通信接口，最大传输距离可达1 2 0 0 m ，传输速度最大能达到1 0 m b s 。 r s 4 2 2 接口一般要使用终接电阻进行匹配，但在低速率和短距离下可以不考虑终 端匹配【9 】。r s 4 2 2 标准只对接口的电气特性做了规定，不涉及接插件、电缆或协 议，所以，用户可建立自己的高层通信协议。r s 4 2 2 为了实现全双工需要两个通 道，分别负责发送和接收。发送通道主要由发送器和平衡连接电缆等构成，接收 通道主要由接收器和电缆终端负载等组成。由于属于差分接口形式，因此每个通 道要占两条信号线。 本系统中的r s 4 2 2 通信接口用于上位机向下位机传输控制命令和参数以及下 位机向上位机回传状态参数和运算结果。 2 4 图像采集方案 本系统p c 机作为上位机，p c 机上不带有l v d s 接口，所以为了完成图像采 集功能，该系统需要配备l v d s 图像采集卡。 本系统中图像上传频率为3 2 m h z ，每个时钟沿输出4 个像素，每个像素8 比 特，所以实际数据率为每秒3 2 m x 4 x 8 b i t ，综合考虑系统要求和采集卡性能，选用 美国国家仪器( n a t i o n a li n s t r u m e n t ，n i ) 公司推出的p c i 一1 4 2 4l v d s 图像采集卡，如 数字图像处理系统下位机设计 图2 3 所示，其主要性能指标如下【l o j ：( i ) 3 2 b i t 数据接口，可配置成1 3 2 b i t 、1x 2 4 b i t 、 2 1 6 b i t 、2 x 1 2 b i t 、2 x 1 0 b i t 、4 x 8 b i t ；采样率最高达到5 0 m h z ，最大数据率达到 2 0 0 m b s ；独立的l v d s 帧同步时钟、行同步时钟和像素同步时钟；1 0 0 针 s c s i 连接器；通用p c i 连接。 目前本系统的图像在每个时钟沿输出4 个像素，每个像素8 比特，所以将采 集卡配置成4 x 8 b i t ，3 2m h z 采样率，以实现3 2 路l v d s 图像信号的接收。 图2 3p c i 一1 4 2 4 图像采集卡 f i g 2 3p c i 一1 4 2 4i m a g ea c q u i s i t i o nm o d u l e 2 5xiiin x 嵌入式开发简介 本系统用到了x i l i n x 嵌入式开发技术，下面简单介绍一下x i l i n x 嵌入式开发 的有关知识。 2 5 1x i iif i x 嵌入式开发工具集 一般来说，因为嵌入式系统涉及了软件和硬件的开发以及两者的综合设计， 所以其开发是比较复杂的。x i l i n x 公司为了简化基于f p g a 的嵌入式开发流程，为 用户提供了操作简单、功能强大的工具集i s e 和e d k 。 1 ) 集成软件环境i s e i s e 是x i l i n x 公司f p g a 逻辑设计的基础。在这个环境中，设计者可以编写基 于h d l 的输入文件、编写约束文件、进行时序仿真和分析、进行逻辑布局布线以 及器件编程等。 2 ) 嵌入式开发套件e d k 第2 章系统总体方案设计和开发平台 e d k 是设计嵌入式可编程系统的全面的解决方案，该套件自带了很多工具和 i p ，可以用来设计完整的嵌入式处理器系统，主要包括x i l i n x 平台工作室x p s 和 软件开发套件s d k 。 x i l i n x 平台工作室( x i l i n xp l a t f o r ms t u d i o ，x p s ) 是用来设计嵌入式处理器系统 硬件部分的开发环境或g u i 。在x p s 中，可以创建嵌入式系统的架构、编写简单 的软件代码、完成设计的编译以及f p g a 芯片的硬件配置等。 软件开发套件( s o f t w a r ed e v e l o p m e n tk i t ，s d k ) 提供了一套完整的软件开发环 境，基于e c l i p s e 平台实现，支持c c + + 等高级语言，用于嵌入式应用系统的开发 与调试。 e d k 还捆绑了处理器i p 库、软件驱动程序、参考设计和文档等，为设计人员 提供了很大的便捷性。 2 5 2e d k 设计比特文件的组成 在e d k 设计中，最终下载到f p g a 中的比特流文件是软、硬件比特流合并在 一起的，其详细的组成部分如图2 4 所示。硬件部分比特流包括微处理器硬件规范 ( m h s ) 文件和用户自定义h d l 代码，两者经过综合实现后，产生n g c 网表，生成 硬件系统的比特流文件；软件系统包括微处理器软件规范( m s s ) 文件和用 户e e p p a s m 文件，通过g c c 编译器，生成目标文件o b j ，再经过链接合成软件系 统的比特流文件；最后通过d a t a 2 m e m 过程，将软、硬件比特流合成完整的系统 比特流文件，通过j t a g 链路下载到f p g a 芯片中1 1 1 1 。 数字图像处理系统下位机设计 图2 4e d k 配置比特文件的组成结构 f i g 2 4c o m p o s i t i o n s t r u c t u r eo fe d kc o n f i g u r a t i o nb i tf i l e 2 5 3e d k 设计方法 x p s 软件是完备的x i l i n x 嵌入式系统开发工具，有两种启动方式，一种是直 接点击“开始” “程序 x i l i l l ) ( d e s i g ns u i t e e d k l i l l ) ( p l a t f o r l ns t u d i o 即可启动；另一种是在i s e 中新建e m b e d d e dp r o c e s s o r 类型的源文 件，通过双击打开。前者专门用于设计完备的嵌入式系统，后者可将嵌入式设计 作为i s e 设计的一个子模块。 本系统下位机的f p g a 设计包括时钟模块、l v d s 数据传输模块、嵌入式图像 处理模块等，是嵌入式处理器系统和其他定制逻辑的结合，所以采用第二种方法， 利用i s e 将嵌入式处理器系统作为顶层f p g a 设计源的子模块。本设计采用自顶 而下的设计方法，在i s e 工程中，可以像调用i p 核一样，调用e d k 设计，它与 其他子模块一样，可在任何需要的地方例化。 第2 章系统总体方案设计和开发平台 2 5 4s d k 的简介 在嵌入式开发中，设计人员的大部分时间是用来完成软件开发的，简单的软 件开发可以在x p s 里完成，而对于复杂的应用开发和调试，x i l i n x 则推荐使用s d k 工具。s d k 是嵌入式系统的软件开发工具，在硬件平台的基础上完成相应的软件 开发任务，其基本操作包括与x p s 交互，建立、编译软件应用工程，配置芯片以 及添加外设测试代码等。具体操作简单介绍如下： 1 ) 导入应用：在s d k 中可以导入x p s 工程，s d k 只管理用户的应用软件， x p s 管理构成软件平台的库和驱动。 2 ) x p s 和s d k 的数据交互：x p s 可以通过e d k 自动交互功能直接将设计转 移到s d k ；虽然e d k 没有提供自动将s d k 工程读入x p s 的功能，但s d k 工具 提供了应用软件的e l f 文件，因此x p s 生成下载文件只需要从e l f 文件中提取数 据，不需要应用软件工程的其他支持。 3 ) 基本的软件编程操作：s d k 提供了良好的软件开发集成界面，包括建立应 用软件工程、编辑源代码和库文件、调试应用软件等功能。 4 ) 芯片配置：和x p s 中芯片配置方法一样。 5 ) 为用户定制的i p 增加测试程序。 本系统图像处理的捕获和跟踪算法比较复杂，所以选择在s d k 中进行软件开 发。 2 6mic r o bla z e 处理器软核简介 m i c r o b l a z e 是一种针对x i l i n xf p g a 器件而优化的嵌入式处理器软核，支持 c o r e c o n n e c t 总线的标准外设集合。m i c r o b l a z e 处理器运行在15 0 m h z 时钟下，可 提供1 2 5d m i p s ( 每秒执行的d h r y s t o n e 指令数量) 的性能【1 2 】，具有占用资源少、 运行速度快、可配置性强等优点。 2 6 1m i c r o b i a z e 体系结构 m i c r o b l a z e 处理器采用r i s c 架构和哈佛结构的3 2 位指令和数据总线，可以 全速执行存储在片上存储器和外部存储器中的程序，并访问其数据。其内部有3 2 数字图像处理系统下位机设计 个3 2 位通用寄存器、2 个3 2 位特殊寄存器程序指针( p c ) 寄存器和状态寄存器 ( m s r ) 、1 个a l u 单元、1 个移位单元和两级中断响应单元等基本模块，还具有3 5 级流水线、移位器、内存管理内存保护单元、浮点单元( f p u ) 、高速缓存、异常处 理和调试逻辑等，可根据性能需求和逻辑区域成本任意裁剪的特性，极大地扩大 了m i c r o b l a z e 的应用范围。图2 5 为m i c r o b l a z e 软核的内部架构示意图【1 3 】。 胁细c 颤。撑q 讹 图2 5m i c r o b l a z e 内部架构示意图 f i g 2 5m i c r o b l a z ec o r eb l o c kd i a g r a m 2 6 2m i c r o b i a z e 的数据和指令 m i c r o b l a z e 支持字、半字和字节的数据形式。 m i c r o b l a z e 的3 2 位指令有两种定义格式。a 型指令最多有2 个寄存器源操作 数和1 个寄存器目的操作数，用于完成寄存器到寄存器的运算；b 型指令有1 个寄 存器源操作数、1 个1 6 位立即数和1 个寄存器目的操作数，其立即数还可使用i m m 指令扩展为3 2 位，用于完成寄存器和立即数之间的运算。指令按功能划分有逻辑 运算指令、算术运算指令、分支指令、存储器读写指令和特殊指令【1 4 1 。 第2 章系统总体方案设计和开发平台 2 6 3m i c r o b i a z e 寄存器 1 ) 通用寄存器 m i c r o b l a z e 处理器内核中的3 2 个通用寄存器记为r 0 r 3 1 。寄存器不是由外 部复位输入复位，而是在比特流数据下载的时候复位。表2 1 为通用寄存器的功能 描述。 表2 1m i c r o b l a z e 通用寄存器功能表 t a b 2 1d e s c r i p t i o no fm i c r o b l a z eg e n e r a lp u r p o s er e g i s t e r s 寄存器名功能描述 r 0 总为0 ，对r 0 的任何写操作都被忽略 r 1 r 1 3 3 2 位一般通用寄存器 r 1 4 存储中断的返回地址 r 1 5 位通用寄存器 r 1 6 存储跳转的返回地址 r 1 7 如m b 配置为支持硬件异常，则此寄存器装载硬件异常的返回地址， 否则作通用寄存器使用 r 1 & b 1 3 2 位一般通用寄存器 2 ) 特殊寄存器 程序指针寄存器：存储下一条指令的地址。 状态寄存器：包括处理器的控制和状态比特。 2 6 4m i c r o b ia z e 的中断机制 m i c r o b l a z e 支持重置、硬件异常、中断、用户异常、暂停等机制。可以对中 断进行异常处理，通过外加控制逻辑，可以扩展外部中断。 2 6 5m i c r o b l a z e 的总线接口 x i l i n x 以i b m 公司开发的片上总线通信链c o r e c o n n e c t 为处理器的设计基础， 配置了丰富的接口资源。m i c r o b l a z e 常用的总线标准有下列几种【1 5 】。 1 ) 处理器本地总线( p r o c e s s o rl o c a lb u s ，p l b ) - 通过该总线可以将外设i p 核连 数字图像处理系统下位机设计 接到m i c r o b l a z e 系统中，经常用于访问外设，如存储、g p i o 等设备，不但能连接 速度较低的设备，也能连接d d r 2 等高速设备，使用范围广泛。 2 ) 本地存储器总线( l o c a lm e m o r yb u s ，l m b ) ：专门用于对片上块r a m 的高速 访问。 3 ) 快速单一链路f f a s ts i m p l e xl i n k ，f s l ) 接1 2 1 ：是m i c r o b l a z e 处理器软核特有 的基于f i f o 的单向链路，能够实现用户自定义i p 与m i c r o b l a z e 软核内部通用寄 存器的直接相连。f s l 通道是专用于单一方向的点到点的数据流传输接口，f l s 和m i c r o b l a z e 的接口宽度是3 2 位，每一个f s l 通道都可以发送和接收控制或数 据字。 4 ) x i l i n x 缓存链路( x i l i n xc a c h el i n k ，x c l ) - 能够实现对片外存储器的高速访 问。 5 ) 与微处理器调试模块( m i c r o p r o c e s s o rd e b u gm o d u l e ，m d m ) 相连的调试接 口：利用m d mi p 核，可通过j t a g 接口来调试处理器系统。多个m i c r o b l a z e 处 理器可以用1 个m d m 来完成多处理器调试。 2 7 本章小结 本章对数字图像处理系统的系统功能、系统工作原理、图像采集方案等进行 了介绍，从下位机开发平台的选择、数据传输接口和通信接口的选择以及图像处 理算法实现方案等几个方面着重阐述了下位机设计方案。另外本章还对x i l i n x 嵌 入开发技术和m i c r o b l a z e 处理器软核进行了简要介绍。 第3 章下位机硬件设计 第3 章下位机硬件设计 3 1 下位机的硬件结构 数字图像处理系统下位机的硬件结构如图3 1 所示。该下位机以一片f p g a 为 核心，配有d d r 2 内存模组、l v d s 发送和接收接口、r s 4 2 2 接口、程序存储芯 片、扩展插槽等。该款f p g a 芯片的内核电压( v c c i n t ) 是1 0 v ，端口电压( v c c o ) 是3 3 v ，辅助电压( v c c a u x ) 和l v d s 输出驱动电压是2 5 v ，配置芯片和d d r i i 的供电电压是1 8 v ，d d r i i 参考电压( d d r i i v r e f ) 为0 9 v ，所以使用了7 个l d o 来获得相应的电压。l v d s 接收单元负责接收数字图像处理系统前端的l v d s 图像 数据；d d r 2s o d i m m 单元做图像处理过程中的缓存之用；时钟生成单元用于生 成数字图像处理系统下位机工作所需的时钟；l v d s 发送单元负责将处理后的图像 数据以l v d s 信号形式发送出去；程序存储单元用于存储运行程序；r s 4 2 2 接口 单元完成电平转换功能。该系统下位机电路板的实物如图3 2 和3 3 所示。 数字图像处理系统下位机中f p g a 的管脚分配：b a n k 0 、b a n k l 、b a n k 2 、b a n k 4 是配置b a n k ，需要3 3 v 供电；b a n k 3 是时钟b a n k ，需要2 5 v 供电；b a n k 5 、b a n k 6 是l v d s 输入b a n k ，需要3 3 v 供电；b a n k 2 3 、b a n k 2 5 是l v d s 输出b a n k ，需要 3 3 v 供电；b a n k l 5 、b a n k l 7 、b a n k l 9 、b a n k 2 1 是d d r 2b a n k ，需要1 8 v 供电； b a n k l l 是r s 4 2 2 和通用i ob a n k ，需要3 3 v 供电。 数字图像处理系统下位机设计 图3 1 数字图像处理系统下位机硬件框图 f i g 3 1h a r d w a r eb l o c kd i a g r a mo fs l a v ep a r ti nd i g i t a li m a g ep r o c e s s i n gs y s t e m 1 7 第3 章下位机硬件设计 图3 2 数字图像处理系统卜位机正面电路板实物图 f i g 3 2a c t u a lc i r c u i tf r o n tb o a r do fs l a v ep a r ti nd i g i t a li m a g ep r o c e s s i n gs y s t e m 图3 3 数字图像处理系统下位机背面电路板实物图 f i g 3 3a c t u a lc i r c u i tb a c kb o a r do fs l a v ep a r ti nd i g i t a li m a g ep r o c e s s i n gs y s t e m 1 8 数字图像处理系统下位机设计 3 2 数据传输接口的设计 系统下位机中有两处用到了l v d s 传输模块：数字图像处理系统与前端之间 的数据传输和数字图像处理系统下位机与上位机之间的数据传输。考虑到系统的 扩展性，该下位机的l v d s 接收和l v d s 发送都设计了6 7 路( 6 4 路图像数据信号 和3 路同步信号) 。 3 2 1 数字图像处理系统与前端之间的l v d s 传输 该模块的作用是接收来自数字图像处理系统前端的l v d s 图像数据和l v d s 同步信号。图3 4 为数字图像处理系统下位机l v d s 接收模块示意图。 木日图7 躁处理系现日u 师图保处理糸统卜1 的6 4 路图像数据机